金属矿山地下开采对地表建筑物影响分析研究

庞 磊

(西北有色勘测工程公司，陕西 西安 710054)

近年来，随着国家金属矿山的大规模开发利用，给工矿企业带来巨大的经济效益，但是，与此同时，这也给地方生态环境和当地居民的生活造成了严重的影响，造成了工矿企业发展与地方利益的矛盾。通过对大量事故的分析研究，我国金属矿山地下开采活动引发的采空区塌陷地质灾害比较严重，这给工矿企业及当地的居民生命、财产造成了重大损失[1，2]。在国内外，目前煤矿企业已经对采空区引发的地表塌陷和岩石移动范围进行预测，以及相关采矿活动对地表建筑物和构筑物的损害影响进行评价等方面做了大量的研究工作，得出了许多可供参考的经验与成果[3]。然而，金属矿山的开采，由于其地质发育条件和开采方式、方法等与煤矿开采不尽相同，那么，基于煤矿开采研究的地表变形移动规律和相关预测成果理论一般很难完全应用于金属矿山。研究金属矿山地下开采对地表建筑物的影响和预测，妥善化解企地矛盾就显得十分必要。

本文结合工程实例，介绍了“三带理论”、塌陷角和岩石移动角等理论在分析评价金属矿山地下开采对地表建筑物影响的应用，定性和定量分析了地下开采相关活动对地表建筑物的影响范围，为妥善化解企地矛盾提供了技术依据。

1 影响评价方法研究

1.1 三带理论

地下矿体在采出以后，在采空区周围的岩体形成了复杂的移动和变形区域，岩(土)体变形移动破坏程度自下而上划分为垮落带、导水裂隙带和弯曲下沉带三带[4](见图1)，三带的发育程度主要取决于矿体采出厚度、采矿工艺方法、岩层产状和岩石性质。

1)垮落带。

由于受到矿体地下开采的影响，矿体顶部覆盖的岩体应力重分布，造成顶部岩体发生破碎垮塌的区域称为垮落带。垮落带带内岩体通常以拱形垮塌的方式向上发展。当垮塌的破碎岩石体积与采出矿石的体积相等时，垮塌停止发展，垮塌后破碎岩石起到了支撑上覆未崩落岩层作用[5]。垮落带高度与矿体开采的厚度、垮塌岩石的碎胀性有关，同时还与矿体采动范围、覆岩强度及采空区的充填状况相关。

根据查阅相关规范并结合经验，当矿体的倾角小于岩块的自然安息角时，垮落带的高度H冒为：

(1)

其中，M为矿体开采的厚度，m；K为岩石的松散系数，按经验取值，无量纲；α为矿体岩层的倾角，(°)；H冒为垮落带高度，m。

2)导水裂隙带。

垮落带上覆岩层中产生裂缝、断裂和离层，但仍然保持原有的层状结构，该部分岩层称为导水裂隙带。导水裂隙带虽然没有垮落，但是由于产生了大量裂隙，使岩体内部失去原有的整体性。导水裂隙带的高度同所在地质构造、岩层性质和开采方式等条件相关，通常导水裂隙带高度比垮落带高度较小，可得导水裂隙带高H裂为：

H裂=H冒/(1～3)

(2)

其中，H裂为导水裂隙带的高度，m。

3)弯曲下沉带。

导水裂隙带岩层产生裂缝、断裂和离层后，引起上部岩层发生下沉弯曲变形现象，该部分岩层称为弯曲下沉带。该带内的岩层通常只在自重作用下发生法向的弯曲变形，不再引起破裂现象，所以该地带内的岩层能够较好地保持原有的隔水和整体性能。弯曲下沉带高度的确定与岩性相关，根据经验，当岩层为硬质岩且容易脆裂时，弯曲下沉带高度为导水裂隙带高度的3倍～5倍；当岩体为软质岩且塑性较好时，约为导水裂隙带高的数十倍。

1.2 变形角理论评价方法

采空区上方地表塌陷区边界与采空区边界之间的连线与水平面之间的外侧夹角称为塌陷角或陷落角，而随采空塌陷之后的继续变形，其最终变形边界与采空区边界连线与水平面外侧夹角为移动变形角[6]。移动角和塌陷角是研究地下采矿引起地表移动变形规律的重要参数，利用移动角和塌陷角相关理论可以计算确定地表塌陷区和移动变形区的边界范围。矿山所在区域地层岩石的塌陷角和移动变形角可以根据现场探测、测试、理论分析、工程类比法和数值模拟等方法确定。对于项目周边存在类似矿山，新的矿山在进行地下开采设计时可按工程类比法确定塌陷角和移动变形角参数。应用塌陷角和移动变形角理论确定地表塌陷区和移动变形区的影响范围，如图2所示。位于上述两区范围内的建筑物可能遭到变形破坏。

1.3 爆破振动测试法

金属矿山采矿作业多以地下爆破方式进行，爆破振动对爆破作业区一定范围内的建(构)筑物将造成一定的影响。对于如何评价不同类型建(构)筑物受到爆破振动的影响，应采用不同的安全判据和允许标准。《爆破安全规程》给出了地面建筑物的爆破振动的安全允许标准，应根据评价对象所在地点的峰值振动速度和主振频率来评价不同类型建(构)筑物受到爆破振动的影响。

采用爆破振动测试方法实测爆破作业的爆破振动安全允许距离，可分析金属矿山地下开采对地表建筑物影响。

1.4 数值模拟分析方法

近年来，数值模拟分析方法在工程实践中得到了广泛应用[7]。Midas/GTS(Geotechnical and Tunnel analysis System)是岩土和隧道常用的分析软件。文章采用Midas/GTS分析了巷道掘进引起岩层移动对地表建筑物产生的影响。

2 工程实例

2.1 矿山开采与居民房屋概况[8]

某金矿位于陕西省南部秦岭腹地，矿区有硬化公路与国道相接，交通较为便利。矿区属秦岭南麓之中—低山地区，山脉呈东西向展布，地势北西高，东南低，海拔高度970 m～1 583.0 m，该区地貌分为低中山和沟谷地貌区。该矿开采方式为地下开采，采矿方法采用无底柱分段崩落法。

在采矿区范围内共居住38户村民，村民房屋多为依山而建，土木结构，承重山墙为土打墙，木质立柱，木质梁结构。一般开间宽4.5 m～5 m，进深7 m～8 m，檐口高3.2 m～7.5 m，墙厚0.4 m。基础为干砌石基础，埋深0.6 m左右。调查期间，部分房屋存在裂缝。

根据现场调查，在村庄附近共存在3条水平探矿巷道，即1050，1110和1150巷道，巷道断面尺寸为2.7 m×2.7 m，采用爆破掘进，爆破方式为普通爆破，每次最大装药量约30 kg。采空区范围主要涉及1080分段、1090分段、1100分段、1110分段、1120分段、1130分段、1140分段、1150分段和1160分段，采矿爆破方式为中深孔爆破，每次最大装药量约150 kg。

2.2 三带理论分析评价

采用文中式(1)来估算垮落带的计算高度。根据该金矿的开采设计方案，矿体的平均厚度为13.05 m，岩石松散系数取为1.50，矿层倾角为60°，则垮落带的高度为52.2 m；根据式(2)，导水裂隙带的高度为17.4 m～52.2 m，弯曲下沉带的高度取为导水裂隙带高度的5倍，则采空区形成弯曲下沉带的高度在87.0 m～262.5 m之间。

将上述3带确定的厚度相加，得到该金矿采空区变形带的高度在156.6 m～366.9 m。采空区最低点高程为1 080 m，对应地表高程在1 200 m左右，高差为120 m左右，可知该金矿采空区会引起地表一定范围的变形破坏。

2.3 变形角理论分析评价

为评价采空区对附近居民的影响，在采空区边界距居民房屋最近点的连线上布置剖面线，采用1.2节提供的方法计算分析采空区形成的塌陷区和岩石移动区范围。根据该矿的现场观测并结合工程经验，计算时，塌陷角与岩石移动角取值见表1。

表1 塌陷角与岩石移动角取值 (°)

根据表1塌陷角与岩石移动变形角参数，采用作图法可确定采空区在地面产生的塌陷区与移动变形区影响范围，见图3。根据图3可知，距离采空区最近的房屋到塌陷区边界水平距离为83.0 m，到岩石移动区边界水平距离为68.0 m。根据《采矿设计手册》中关于保护级别的要求，该处民房属于Ⅲ级保护等级，Ⅲ级保护对象的安全距离为10 m，可判定该金矿矿山地下开采活动引发的地表塌陷和移动变形不会对周边民房造成破坏。

2.4 爆破振动影响测试评价

通过爆破振动测试可评价地下采矿爆破作业振动对矿区附近居民房屋的结构的影响。根据现场情况，最终确定爆破点和测试点平面位置见图4，爆破点信息见表2，测试点信息见表3，测试结果见表4。

表2 爆破点信息表

表3 测试点信息表

表4 测试结果汇总表

根据测试结果，结合爆破安全规程[9]可知，本次爆破振动测试中，C2，C3，C4，C5点位均是S1炮速度峰值最大，分别为0.072 cm/s，0.043 cm/s和0.088 cm/s，频率在11 Hz～12 Hz，均小于爆破安全规程中的爆破振动安全允许标准。距离S1炮距离最近的C1点测得S1炮振动峰值加速度达到Ⅵ度的峰值加速度范围，反复振动有可能对其建筑物造成一定影响。

2.5 数值模拟影响评价

根据图5中的A—A′剖面建立了分析探矿巷道对居民房屋影响的模型，本模型长度为300 m，地表最高点高程为1 368 m，最低点为1 330 m，巷道水平分别为1 050 m，1 110 m和1 150 m，模型最底部高程取为1 085 m，探矿巷道硐室大小为2.7 m×2.7 m， 居民房屋所处位置为模型中地表上自左向右150 m～180 m处。模型网格划分见图5，模型计算岩土体物理力学参数见表5。

表5 岩土体物理力学参数表

经过分析计算，给出了巷道掘进引起岩层及地表的水平位移和垂直位移云图，见图6，图7。可以发现，居民房屋所处地表最大水平位移2.51 mm，最大沉降值22.56 mm，最小沉降值为15.56 mm，沉降差为7.0 mm，倾斜为0.23 mm/m的水平应变为0.08 mm/m，依据《采矿设计手册(矿床开采卷下)》，水平应变大于2 mm/m、倾斜大于3 mm/m时，对地表建筑物有影响，可以判断探矿巷道掘进引起的变形对居民房屋而言是安全的。

3 结语

通过分析金属矿山地下开采对地表建筑物的影响评价方法，并结合陕西省南部秦岭腹地某金矿工程实例进行了分析与评价，得到了以下结论：

1)应用“三带理论”能够定量计算采空区引发的变形带高度，并定性判断这种引发的变形破坏能否发展到地表，但不能确定采空区在地表引发沉陷变形影响范围。

2)通过变形角评价方法可以确定采空区在地表引发沉陷变形的影响范围，但不可以给出对地表建(构)筑物的影响程度。

3)运用爆破振动测试可以实测获得评价对象所在地点的峰值振动速度和主振频率，定性评价出爆破振动对地表建(构)筑物的影响程度，但不能划定对地表建(构)筑物的影响规模。

4)运用数值模拟方法的计算结果与定性方法相结合， 可以有效地评价采空区沉陷对附近地表建筑物的影响程度。

综上，采用多种分析评价方法，可以比较全面的评价金属矿山地下开采对地表建筑物的影响效果，为妥善化解企地矛盾提供技术材料，同时也给矿山进行开采设计提供理论依据。